Zündkerze und Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit reduziertem Verschleiß an der Mittelelektrode sowie ein einfach umsetzbares Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze.

Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlicher Ausgestaltung bekannt. WO 2012/105255 A1 beschreibt eine Zündkerze mit Mittelelektrode und Masseelektrode. Die Mittelelektrode ist im Isolator angeordnet. Ein elektrisch leitfähiges Material stellt eine elektrische Verbindung zwischen der

Mittelelektrode und einem elektrischen Anschlussbereich der Zündkerze her. Das elektrisch leitfähige Material umgibt dabei einen in Richtung des elektrischen Anschlussbereichs ausgerichteten Mittelelektrodenkopf der Mittelelektrode und füllt einen Spalt zwischen dem Mittelelektrodenkopf und dem Isolator. Das elektrisch leitfähige Material wirkt als thermischer Isolator und verhindert bzw. reduziert eine Wärmeabfuhr von der Mittelelektrode über den keramischen Isolator auf ein mit einem Gehäuse der Zündkerze in Kontakt stehenden, gekühlten Zylinderkopf. Der Verschleiß einer solchen Zündkerze durch thermische Überlastung ist damit hoch.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem Hauptanspruch zeichnet sich hingegen durch eine sehr gute Wärmeleitung zwischen dem Mittelelektrodenkopf und dem keramischen Isolator aus. Dies wird dadurch erzielt, dass der

Mittelelektrodenkopf an seinem Außenumfang mindestens abschnittsweise mit dem keramischen Isolator in wärmeleitendem Kontakt steht und einen wärmeleitenden Kontaktbereich bildet. Mit anderen Worten stehen Abschnitte des Außenumfangs des Mittelelektrodenkopfes in thermisch leitfähigem Kontakt mit dem keramischen Isolator, so dass ein Wärmeübertrag vom

Mittelelektrodenkopf auf den Isolator und damit eine Wärmeableitung von der Mittelelektrode mit großen Raten erfolgt. Hierbei wurde gefunden, dass ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement, das zur elektrischen Verbindung des Mittelelektrodenkopfes und des elektrischen Anschlussbereichs der Zündkerze vorgesehen ist, eine schlechtere thermische Leitfähigkeit als der keramische Isolator aufweist. Durch den wärmeleitenden Kontaktbereich stehen der

Mittelelektrodenkopf und der Isolator in sehr guter thermischer Verbindung, so dass ein Wärmetransfer sehr gut erfolgen kann. Die Wärmeableitung vom Mittelelektrodenkopf auf den Isolator kann somit sehr schnell mit hohen Raten erfolgen. Durch die sehr gute Wärmeabfuhr wird die Verschleißrate der

Mittelelektrode reduziert. Insbesondere wird eine Wärmeableitung von der brennraumzugewandten Mittelelektrodenspitze, an der, durch das Funkenplasma bedingt, die höchsten Temperaturen vorherrschen, auf den Isolator und weiter auf den üblicherweise gekühlten Zylinderkopf, verbessert. Das Material der Mittelelektrode wird somit weniger strapaziert und die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Zündkerze signifikant erhöht.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Zur weiteren Verbesserung der Wärmeableitung vom Mittelelektrodenkopf auf den Isolator ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass der gesamte Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes mit dem keramischen Isolator einen wärmeleitenden Kontaktbereich bildet.

Die Wärmeleitung kann dadurch weiter verbessert werden, dass der

Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes in direktem Kontakt mit dem Isolator steht. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass zwischen dem

Mittelelektrodenkopf und dem Isolator keine Zwischenschicht, also weder eine thermisch leitfähige Zwischenschicht noch eine Luftschicht, vorhanden ist. Auch liegt in diesem Bereich kein elektrisch leitfähiges Verbindungselement vor.

Weiter vorteilhaft ist es, Luftspalte zwischen dem Mittelelektrodenkopf und dem Isolator zu vermeiden. Dies wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass zwischen dem Mittelelektrodenkopf und dem Isolator eine Pressverbindung ausgebildet ist. Um des Weiteren Wärmetransferverluste durch Konvektionsströmung zu minimieren, ist der wärmeleitende Kontaktbereich zwischen Mittelelektrodenkopf und Isolator vorteilhafterweise gasdicht ausgebildet.

Das Wärmeableitvermögen der erfindungsgemäßen Zündkerze kann, bei möglichst geringer Gesamtlänge der Mittelelektrode vorteilhaft dadurch gesteigert werden, dass der wärmeleitende Kontaktbereich in Axialrichtung X-X der Zündkerze eine Länge L von mindestens 1 mm und vorzugsweise von 1 ,5 bis 4,5 mm, hat.

Durch Optimierung des Verhältnisses der Länge des Mittelelektrodenkopfes und dessen Durchmesser und insbesondere dadurch, dass ein Durchmesser D des Mittelelektrodenkopfes am wärmeleitenden Kontaktbereich mindestens 2 mm und insbesondere 2 bis 4 mm, beträgt, kann das Wärmeableitvermögen durch den wärmeleitenden Kontaktbereich weiter gesteigert werden.

Dem Wärmeableitvermögen ebenfalls zuträglich ist auch ein Verhältnis L/D der Länge L des wärmeleitenden Kontaktbereichs zum Durchmesser D des wärmeleitenden Kontaktbereichs, das vorzugsweise mindestens 0,75 beträgt.

Eine gute gasdichte Abdichtung des Brennraumes sowie eine zentrierende Lagerung des Mittelelektrodenkopfs im Isolator und damit ein nach allen Seiten besonders gleichmäßig hoch ausgebildetes Wärmeableitvermögen wird vorteilhafterweise dadurch erzielt, dass ein Durchmesser des

Mittelelektrodenkopfs größer ist als ein brennraumzugewandter

Mittelelektrodenabschnitt. Ferner ist in einem Übergangsbereich zwischen dem Mittelelektrodenkopf und dem brennraumzugewandten Mittelelektrodenabschnitt eine Schulter ausgebildet, die auf dem Isolator zu liegen kommt. Dadurch steht auch die Schulter der Mittelelektrode in wärmeleitendem Kontakt mit dem keramischen Isolator.

Vorzugsweise weist der Mittelelektrodenkopf der Mittelelektrode an seiner Stirnseite einen becherartigen Bereich auf. Der becherartige Bereich weist dabei weiter bevorzugt eine umlaufend geschlossene Wand auf. Hierdurch wird bei reduziertem Mittelelektrodenkopfvolumen ein besonders großer Außenumfang erhalten, was einem Wärmetransfer vom Mittelelektrodenkopf auf den Isolator zuträglich ist.

Besonders bevorzugt ist der Mittelelektrodenkopf als zylindrischer Becher ausgebildet. Dadurch kann eine Wärmeableitung mit großen Raten gleichförmig nach allen Seiten auf den Isolator erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelelektrodenkopf in dem Bereich seines Außenumfangs, der sich im wärmeleitenden Kontaktbereich befindet, eine Vielzahl von zackenartigen

Vorsprüngen aufweist. Hierdurch wird die Oberfläche des wärmeleitenden Kontaktbereichs vergrößert, so dass eine Wärmeableitung noch effektiver erfolgen kann. Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer

Zündkerze beschrieben. Das nachstehend offenbarte Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Zündkerze. Das Verfahren ist durch eine Kombination von Standardprozessen sehr leicht ohne hohen technischen Aufwand und damit kostengünstig umsetzbar. Das Verfahren umfasst als ersten Schritt ein Einbringen einer Mittelelektrode in einen Hohlraum des keramischen Isolators, so dass der Mittelelektrodenkopf auf einer im

Hohlraum des keramischen Isolators gebildeten Schulter zu liegen kommt. Ein Durchmesser des Mittelelektrodenkopfes ist hierzu insbesondere größer als ein brennraumzugewandter Abschnitt der Mitteleelektrode, der unterhalb der im Isolator ausgebildeten Schulter angeordnet ist. Als ein weiterer Schritt wird ein

Verpressen der Mittelelektrode mit dem keramischen Isolator ausgeführt.

Dadurch wird erzielt, dass der Brennraum der Zündkerze gasdicht gegenüber den Bereichen außerhalb des Brennraums abgedichtet wird. Zudem wird so der Mittelelektrodenkopf in direkten Kontakt mit dem keramischen Isolator gebracht, so dass in einem weiteren Schritt ein wärmeleitender Kontaktbereich zwischen einem Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes und dem keramischen Isolator gebildet wird. Durch das Verfahren kann auf technisch einfache Weise eine Zündkerze mit hohem Wärmeableitvermögen von der Mittelelektrode auf den keramischen Isolator und weiter auf einen üblicherweise gekühlten Zylinderkopf, hergestellt werden. Das Verfahren ist damit ohne großen Aufwand kostengünstig umsetzbar. Die so hergestellte Zündkerze zeichnet sich durch eine gute thermische Stabilität, eine niedrige Verschleißrate der Mittelelektrode und damit eine hohe Haltbarkeit aus.

Die für die erfindungsgemäße Zündkerze beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Zündkerze.

Technisch mit geringem Aufwand wird das Verpressen vorteilhafterweise mit einem Stempel ausgeführt. Der Stempel hat dabei vorzugsweise eine Form, die der Negativform des zu verpressenden Mittelelektrodenkopfes entspricht, so dass eine gleichförmige Kraftübertragung zur zentrierenden Anordnung und Befestigung der Mittelelektrode im keramischen Isolator ausgeübt werden kann.

Weiter vorteilhaft umfasst das Verfahren den Schritt des Einbringens eines elektrisch leitfähigen Verbindungelements in den Hohlraum des keramischen Isolators, so dass der Mittelelektrodenkopf mit dem elektrischen

Anschlussbereich der Zündkerze elektrisch leitend verbunden wird.

Vorteilhaft erfolgt im Anschluss daran ein Aufschmelzen des elektrisch leitfähigen Verbindungselements, z.B. in einem Ofen, wodurch die wärmeleitende

Anordnung und Befestigung des Mittelelektrodenkopfes dauerhaft fixiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine Teilschnittansicht einer Zündkerze gemäß einer

vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung und

Figur 2 eine Schnittansicht eines Abschnitts der Zündkerze aus Figur 1 .

Ausführungsform der Erfindung

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3. Ein keramischer Isolator 7 ist derart vorgesehen, dass die Mittelelektrode 3 in bekannter Weise etwas vom Isolator 7 vorsteht. Die Mittelelektrode 3 ist aus einem Material gefertigt, kann aber auch eine Kern- Mantel Struktur aufweisen, beispielsweise einen Mantel aus nickelhaltigem Material und einen Kern aus kupferhaltigem Material, was einen

Wärmeabtransport vom brennraumzugewandten Mittelelektrodenfuß auf den Isolator 7 verbessert. Zudem kann brennraumseitig ein Edelmetallstift zur Erzeugung eines Funkenplasmas vorgesehen sein.

Der Isolator 7 selbst ist teilweise von einem Gehäuse 6 umgeben. Das

Bezugszeichen 13 bezeichnet einen elektrischen Anschlussbereich der

Zündkerze 1 . Von dem elektrischen Anschlussbereich 13 ist eine elektrisch leitfähige Verbindung über einen Anschlussbolzen und ein z.B. aus einem elektrisch leitfähigen Glas hergestelltes Verbindungselement 8 zur

Mittelelektrode 3 vorgesehen.

Die Mittelelektrode 3 weist einen in Richtung des elektrisch leitfähigen

Verbindungselements 8 angeordneten Mittelelektrodenkopf 5 auf. Hierbei steht eine Stirnseite 10 des Mittelelektrodenkopfes 5 mit dem elektrisch leitfähigen Verbindungselement 8 in Kontakt.

Ein Durchmesser des Mittelelektrodenkopfes 5 ist größer als ein Durchmesser eines brennraumzugewandten Mittelelektrodenabschnitts 4. Hierbei ist in einem

Übergangsbereich zwischen Mittelelektrodenkopf 5 und dem

brennraumzugewandten Mittelelektrodenabschnitt 4 am Mittelelektrodenkopf 5 eine Schulter 12 ausgebildet, die auf einem entsprechend ausgebildeten

Abschnitt des Isolators 7 zu liegen kommt.

Ein Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes 5 steht in wärmeleitendem Kontakt mit dem keramischen Isolator 7, so dass zwischen dem Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes 5 und dem keramischen Isolator 7 ein wärmeleitender Kontaktbereich 9 ausgebildet ist.

Der wärmeleitende Kontaktbereich 9 ist in Figur 2 näher dargestellt. Gemäß der hier gezeigten vorteilhaften Weiterbildung bildet der gesamte Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes 5 mit dem keramischen Isolator 7 einen wärmeleitenden Kontaktbereich 9. Mit anderen Worten steht der gesamte Außenumfang des Mittelelektrodenkopfes 5 inklusive seiner Schulter 12 in direktem Kontakt mit dem

Isolator 7, so dass zwischen diesen Bauteilen weder ein Luftspalt, noch, wie bei herkömmlichen Zündkerzen, ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 8 vorgesehen ist.

Hierzu ist insbesondere zwischen dem Mittelelektrodenkopf 5 und dem Isolator 7 eine Pressverbindung ausgebildet. Dadurch wird auch eine Gasdichtheit des wärmeleitenden Kontaktbereichs 9 zwischen Mittelelektrodenkopf 5 und Isolator 7 verbessert.

Der wärmeleitende Kontaktbereich 9 hat in Axialrichtung X-X der Zündkerze 1 vorteilhafterweise eine Länge L von mindestens 1 mm, insbesondere von 1 ,5 bis

4,5 mm, da so eine besonders große Wärmeaustauschfläche zwischen

Mitteleelektrodenkopf 5 und Isolator 7 bereitgestellt werden kann.

Weiter vorteilhaft beträgt ein Durchmesser D des Mittelelektrodenkopfes 5 am wärmeleitenden Kontaktbereich 9 mindestens 2 mm, insbesondere 2 bis 4 mm und ein Verhältnis L/D der Länge L des wärmeleitenden Kontaktbereichs 9 zum Durchmesser D des wärmeleitenden Kontaktbereichs 9 ist mindestens 0,75. Durch Variation des Verhältnisses L/D kann in Abhängigkeit der Dimensionierung der Zündkerze 1 der wärmeleitende Kontaktbereich 9 auf eine maximale Größe vergrößert werden.

Der Mittelelektrodenkopf 5 weist in Richtung seiner Stirnseite 10 einen becherartigen Bereich 1 1 , und damit einen in Richtung des elektrisch leitfähigen Verbindungselements 8 ausgerichteten konkaven Bereich, auf. Hierdurch wird bei reduziertem Mittelelektrodenkopfvolumen ein besonders großer

wärmeleitender Kontaktbereich 9 bei sehr guter Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Verbindungselements 8 erhalten. Die Mittelelektrode 3 ist somit zudem formschlüssig in den Isolator und das elektrisch leitfähige

Verbindungselement 8 eingepasst, wodurch die Mittelelektrode 3 im keramischen Isolator 7 zentrierend stabilisiert wird.